CN109585986A - 基于分叉分形结构太赫兹滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器。它包括太赫兹波输入端、太赫兹波输出端、N×N个结构单元，N为自然数；N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括金属结构层，金属结构层是一个镂空有分叉分形结构的金属件，分叉分形结构的第一级是三个相邻枝干夹角均为120度的分叉，根据分形结构的自相似性，第二级分形是以第一级分叉的末端为基点根据第一级分形相同的规则进行变化，依此类推，总共有四级分形变化。本发明具有结构简单紧凑、滤波性能高、尺寸小、成本低等优点，满足在太赫兹通信、多谱成像、物理、化学等众多系统中的应用。

Description

基于分叉分形结构太赫兹滤波器

技术领域

本发明涉及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于分叉分形结构的太赫兹滤波器。

背景技术

太赫兹波是一种电磁频率介于0.1～10太赫兹之间，波长在30μm～3mm之间的电磁波，其波段介于微波与远红外光之间。太赫兹波所在的频率位置正好位于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域之间，是最后一个人类还没有完全认知并利用的波段，对于该波段的研究是21世纪科学研究最前沿的领域之一。在最近的几十年时间里，关于太赫兹波的研究日新月异，其在物体成像、环境监测、医疗诊断、宽带移动通信等领域具有极大的应用前景，特别是近些年来，对太赫兹波的传输特性和传输器件方面的研究得到了广泛关注，太赫兹波导、太赫兹天线、太赫兹波调制器和太赫兹滤波器等太赫兹功能器件都取得了不俗的发展，推动了太赫兹系统的搭建和应用，太赫兹技术具有非常巨大的发展潜力与应用前景。

太赫兹滤波器是太赫兹系统中重要的功能器件，其在太赫兹波成像、太赫兹波移动通信、太赫兹波医学诊断、太赫兹波空间天文学等应用领域都有着广阔的应用前景，然而现有的太赫兹滤波器大多存在着结构复杂、成本昂贵、制作困难等不足。基于此，研究结构简单、制作方便、成本低廉的太赫兹滤波器势在必行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于分形结构太赫兹滤波器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其包括太赫兹波输入端、太赫兹波输出端、N×N个结构单元，N为自然数；N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元包括金属结构层，金属结构层是一个镂空有分叉分形结构的金属件，金属结构层的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端和太赫兹波输出端；所述的分叉分形结构中具有四级分形，且四级分形之间具有图形自相似性；分叉分形结构的第一级分形是由从同一起始点向外延伸的三条枝干组成的分叉，且三条枝干两两间夹角均为120度；第二级分形为3个与第一级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第二级分形中3个分叉的起始点分别是第一级分形中3条枝干的末端；第三级分形为9个与第二级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第三级分形中9个分叉的起始点分别是第二级分形中9条枝干的末端；第四级分形为27个与第三级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第四级分形中27个分叉的起始点分别是第三级分形中27条枝干的末端；整个分叉分形结构的外形是一个等边三角形，等边三角形的中心是第一级分形的起始点。

上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：

所述的分叉分形结构在结构单元中左右镜像对称，且分叉分形结构两个上顶点距结构单元上边界的距离均与下顶点距结构单元下边界的距离相等。

所述的周期排列的N×N个结构单元中，每个结构单元的正视图均为正方形，正方形边长为295μm～305μm。

所述的金属结构层的材料为铜，厚度为8μm～12μm。

所述的分叉分形结构中，第一级分形的分叉枝干长度为80μm～90μm，第二级分形的分叉枝干长度为40μm～50μm，第三级分形的分叉枝干长度为18μm～22μm，第四级分形的分叉枝干长度为10μm～14μm；四级分形中所有分叉枝干的宽度均为5μm～7μm，同一级分形中相邻分叉枝干之间的夹角均为120度。

本发明的基于分叉分形结构太赫兹滤波器具有结构简单紧凑、滤波性能高、尺寸小、成本低等优点，满足在太赫兹通信、多谱成像、物理、化学等众多系统中的应用。

附图说明：

图1是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的结构单元三维示意图；

图2是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的结构单元正视图；

图3是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的整体正视图(示出4×4个结构单元)；

图4是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的传输曲线图；

图5是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的低频点能量图；

图6是基于分叉分形结构太赫兹滤波器的高频点能量图；

具体实施方式

如图1～3所示，一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，它包括太赫兹波输入端1、太赫兹波输出端2、N×N个结构单元3，N为自然数，可根据具体需要进行调整。N×N个结构单元3周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，连续拼接。每个结构单元的结构均相同，其主体为金属结构层4，金属结构层4是一个镂空有分叉分形结构5的金属件，金属结构层4的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端1和太赫兹波输出端2。每个分叉分形结构5中具有四级分形，且四级分形之间具有图形自相似性。本发明中所说的图形相似，是指两个图形形状相同，对应角相等，对应边成比例。分叉分形结构5的第一级分形是由从同一起始点向外延伸的三条枝干组成的分叉，且三条枝干两两间夹角均为120度。第二级分形为3个与第一级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第二级分形中3个分叉的起始点分别是第一级分形中3条枝干的末端，由此第二级分形中共有9条分叉枝干。按相同的规则依次类推，第三级分形为9个与第二级分形中的分叉构成图形相似但比例缩小的分叉，且第三级分形中9个分叉的起始点分别是第二级分形中9条枝干的末端，由此第三级分形中共有27条分叉枝干。第四级分形为27个与第三级分形的分叉构成图形相似但比例缩小的分叉，且第四级分形中27个分叉的起始点分别是第三级分形中27条枝干的末端。四级分形中所有的分叉在平面上的姿态均相同，其中一条边均垂直向下。整个分叉分形结构5的外形是一个等边三角形，等边三角形的中心是第一级分形的起始点。但需要注意的是，由于分叉分形结构5并非是一个覆盖完整平面的连续图形，不同的分叉枝干之间存在间隙，因此其外形是一个等边三角形表示的是其所有位于最外侧的枝干端点位于一个等边三角形的三条边上，这些端点相连后形成一个等边三角形，即图2所示状态。

另外，各器件的参数如下：分叉分形结构5在结构单元3中左右镜像对称，且分叉分形结构5所形成的等边三角形中，两个顶点位于上方并平行于单元3上边界，一个顶点位于下方。两个上顶点距结构单元3上边界的距离均与下顶点距结构单元3下边界的距离相等。周期排列的N×N个结构单元3中，每个结构单元3的正视图均为正方形，正方形边长为295μm～305μm。金属结构层4的材料为铜，厚度为8μm～12μm。分叉分形结构5中，第一级分形的分叉枝干长度为80μm～90μm，第二级分形的分叉枝干长度为40μm～50μm，第三级分形的分叉枝干长度为18μm～22μm，第四级分形的分叉枝干长度为10μm～14μm；四级分形中所有分叉枝干的宽度均为5μm～7μm，同一级分形的每个分叉中，相邻分叉枝干之间的夹角均为120度。

实施例1

本实施例中，基于分叉分形结构太赫兹滤波器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：

选择结构单元个数N＝50。周期排列的N×N个结构单元中，每个结构单元的正视图均为正方形，正方形边长为300μm。金属结构层的材料为铜，厚度为10μm。金属结构层的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端和太赫兹波输出端。分叉分形结构第一级分形的分叉枝干长度为85μm，第二级分形的分叉枝干长度为45μm，第三级分形的分叉枝干长度为20μm，第四级分形的分叉枝干长度为12μm，所有分叉枝干的宽度均为6μm，同一级分形中相邻分叉之间的夹角均为120度。太赫兹波从太赫兹波输入端输入，通过金属结构层，从太赫兹波输出端输出。由图4可知，0.3THz处太赫兹波的传输效率能达到92％，50％传输效率处的带宽为80GHz；0.65THz处太赫兹波的传输效率能达到90％，50％传输效率处的带宽为98GHz。由图5可知，在低频点即0.3THz处发生谐振时，能量主要集中在结构的下面部分；由图6可知，在高频点即0.65THz处发生谐振时，能量主要集中在结构的上面部分。

Claims (5)

1.一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其特征在于包括太赫兹波输入端(1)、太赫兹波输出端(2)、N×N个结构单元(3)，N为自然数；N×N个结构单元(3)周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元包括金属结构层(4)，金属结构层(4)是一个镂空有分叉分形结构(5)的金属件，金属结构层(4)的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端(1)和太赫兹波输出端(2)；所述的分叉分形结构(5)中具有四级分形，且四级分形之间具有图形自相似性；分叉分形结构(5)的第一级分形是由从同一起始点向外延伸的三条枝干组成的分叉，且三条枝干两两间夹角均为120度；第二级分形为3个与第一级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第二级分形中3个分叉的起始点分别是第一级分形中3条枝干的末端；第三级分形为9个与第二级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第三级分形中9个分叉的起始点分别是第二级分形中9条枝干的末端；第四级分形为27个与第三级分形构成图形相似但比例缩小的分叉，且第四级分形中27个分叉的起始点分别是第三级分形中27条枝干的末端；整个分叉分形结构(5)的外形是一个等边三角形，等边三角形的中心是第一级分形的起始点。

2.如权利要求1所述的一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其特征在于所述的分叉分形结构(5)在结构单元(3)中左右镜像对称，且分叉分形结构(5)两个上顶点距结构单元(3)上边界的距离均与下顶点距结构单元(3)下边界的距离相等。

3.如权利要求1所述的一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其特征在于所述的周期排列的N×N个结构单元(3)中，每个结构单元(3)的正视图均为正方形，正方形边长为295μm～305μm。

4.如权利要求1所述的一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其特征在于所述的金属结构层(4)的材料为铜，厚度为8μm～12μm。

5.如权利要求1所述的一种基于分叉分形结构太赫兹滤波器，其特征在于所述的分叉分形结构(5)中，第一级分形的分叉枝干长度为80μm～90μm，第二级分形的分叉枝干长度为40μm～50μm，第三级分形的分叉枝干长度为18μm～22μm，第四级分形的分叉枝干长度为10μm～14μm；四级分形中所有分叉枝干的宽度均为5μm～7μm，同一级分形中相邻分叉枝干之间的夹角均为120度。